隨鉆無線傳輸技術(shù)分析與比較

范業(yè)活, 李天祿, 楊志強(qiáng)

(1.電子科技大學(xué), 四川 成都 611731; 2.中國(guó)電波傳播研究所, 河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

水平井鉆井和壓裂技術(shù)是提高單井產(chǎn)量的主要技術(shù)手段,因此近年來新鉆井中水平井所占的比例逐年增大[1-3]。隨鉆測(cè)量技術(shù)是水平井鉆井的關(guān)鍵技術(shù)之一,該技術(shù)在鉆井過程中實(shí)時(shí)測(cè)量井下的地質(zhì)和工程信息,并將測(cè)量的信息及時(shí)傳輸?shù)降孛?用于控制鉆井軌跡和優(yōu)化鉆井。隨著技術(shù)進(jìn)步,國(guó)外幾大公司已基本實(shí)現(xiàn)常規(guī)測(cè)井項(xiàng)目的隨鉆測(cè)量,井下測(cè)量項(xiàng)目越來越多,信息量越來越大。信息量的增加及優(yōu)快鉆井對(duì)測(cè)量信息實(shí)時(shí)性需求的增高,都對(duì)隨鉆信息傳輸提出了更高的要求。隨鉆傳輸技術(shù)的傳輸率相對(duì)較低已成為隨鉆測(cè)量技術(shù)的瓶頸之一。

隨鉆傳輸技術(shù)可以分為有線和無線2類,其中常規(guī)線纜有線傳輸方式現(xiàn)場(chǎng)操作復(fù)雜,對(duì)鉆井正常作業(yè)有影響,應(yīng)用越來越少,類似特種鉆桿的有線傳輸方式雖然傳輸率高,但成本高,制作工藝復(fù)雜,還沒有得到有效推廣。實(shí)現(xiàn)隨鉆傳輸?shù)臒o線傳輸方式主要有泥漿壓力波、電磁波和聲波,其中泥漿壓力波應(yīng)用最廣,電磁波也已推廣應(yīng)用,聲波傳輸還處于試驗(yàn)或試用階段[4]。本文對(duì)泥漿壓力波、電磁波、聲波傳輸方式的工作原理、影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩剡M(jìn)行分析和比較。

1 3種傳輸方式的工作原理

1.1 泥漿壓力波傳輸方式的工作原理

如果改變鉆柱內(nèi)泥漿循環(huán)通道的面積,鉆柱內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生壓力變化,且這種壓力變化在鉆柱內(nèi)傳遞,在地面立管處可用壓力傳感器測(cè)量這一壓力變化,根據(jù)井下測(cè)量信息,由控制電路和驅(qū)動(dòng)電路控制脈沖發(fā)生器動(dòng)作,產(chǎn)生攜帶有信息的壓力波,地面通過測(cè)量立管壓力進(jìn)行信號(hào)接收和采集,進(jìn)行處理和解碼,完成信息井下到地面的傳輸[5-6]。根據(jù)產(chǎn)生的壓力波波形不同,將泥漿壓力波傳輸方式分為正脈沖、負(fù)脈沖和連續(xù)波3種。產(chǎn)生信號(hào)時(shí),泥漿循環(huán)通道面積減小,則壓力增大,為正脈沖;泥漿循環(huán)通道面積增大,則壓力變小,為負(fù)脈沖;若泥漿通道面積能逐漸連續(xù)地實(shí)現(xiàn)變大和變小,則產(chǎn)生的壓力幅度也連續(xù)變化,則為連續(xù)波。

1.2 電磁波傳輸方式的工作原理

隨鉆電磁波傳輸使用的天線形式常為如圖1所示短節(jié)(絕緣天線),該短節(jié)是利用特殊工藝處理的鉆鋌短節(jié),其在機(jī)械上能夠滿足鉆井(壓、拉、扭等)的強(qiáng)度要求,并且使1和2之間電氣絕緣。在實(shí)際作業(yè)中將該短節(jié)串接在鉆柱中,短節(jié)與整個(gè)鉆柱一起構(gòu)成一個(gè)極不對(duì)稱的偶極天線(短節(jié)下方鉆柱長(zhǎng)約10～20 m,上部鉆柱隨鉆井加深逐漸增加,一般在幾百米以上)。在1和2之間依據(jù)測(cè)量信息施加變化的電壓或電流,從而產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng),地面通過測(cè)量井口和距井口一段距離(通常為100 m左右)2點(diǎn)之間的電位差拾取電磁場(chǎng)變化的信息,完成井下到地面的信息傳輸[4]。

圖1 絕緣天線示意圖

1.3 聲波傳輸方式的工作原理

聲波傳輸方式通過井下控制壓電陶瓷或其他類型的換能器產(chǎn)生聲波,聲波在鉆柱中傳播,地面接收裝置一般接在鉆臺(tái)以上的鉆柱上,將接收到的信號(hào)通過無線方式傳到地面計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的進(jìn)一步處理和數(shù)據(jù)分析,完成信息從井下到地面的傳輸[7]。

2 影響信號(hào)傳輸?shù)闹饕蛩?/h2>

由于信號(hào)產(chǎn)生、傳輸介質(zhì)、接收方式的不同,影響3種傳輸方式通信效果的因素也不同。泥漿壓力波影響因素有脈沖發(fā)生器的性能,泥漿的成分,泥漿泵的泵壓、排量、穩(wěn)定性等;電磁波有發(fā)射效率、發(fā)射功率、工作頻率、地層電阻率、井場(chǎng)雜波等;聲波有換能器性能、鉆柱的相關(guān)參數(shù)、工作頻率、鉆柱與地層的接觸情況、不穩(wěn)定噪聲等。

2.1 影響泥漿壓力波傳輸?shù)闹饕蛩?/h2>

泥漿壓力波傳輸信號(hào)的產(chǎn)生通過控制機(jī)械活動(dòng)部件動(dòng)作改變通道面積實(shí)現(xiàn),影響活動(dòng)部件動(dòng)作的因素將影響信號(hào)的品質(zhì),比如泥漿中加入堵漏劑,可能造成活動(dòng)部件的動(dòng)作困難,無法產(chǎn)生信號(hào)或產(chǎn)生的信號(hào)幅度很小,不能滿足信號(hào)傳輸?shù)男枰?。泥漿中含沙量大將容易損壞井下的活動(dòng)部件,泥漿壓力波傳輸方式一般都對(duì)泥漿的含沙量有比較嚴(yán)格的要求。

泥漿壓力波的傳輸介質(zhì)為鉆柱內(nèi)泥漿,建立泥漿循環(huán)是信號(hào)傳輸?shù)谋匾獥l件,且泥漿的成分影響壓力波的傳輸,比如固相和氣相含量,傳輸過程中可能因氣相的不均勻,造成泥漿壓力波變形,帶來解碼困難。

地面通過測(cè)量立管壓力實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收,引起立管壓力變化的因素都可能影響信號(hào)傳輸,如泥漿泵穩(wěn)定性,泥漿泵穩(wěn)定性差,將導(dǎo)致立管壓力波動(dòng)較大,可能影響信號(hào)傳輸。同樣與泥漿循環(huán)相關(guān)的參數(shù),比如泥漿排量、泵壓、改變泥漿通道面積的活動(dòng)部件等都會(huì)影響泥漿脈沖壓力波的波形和幅度。

2.2 影響電磁波傳輸?shù)闹饕蛩?/h2>

電磁波傳輸方式的天線為非對(duì)稱偶極天線,天線周圍的介質(zhì)比較復(fù)雜,主要有泥漿、套管、地層等,且地層電阻率可能從幾歐姆米到幾千歐姆米或更大范圍內(nèi)變化。天線周圍的介質(zhì)影響發(fā)射天線的輸入阻抗,發(fā)射天線為發(fā)射機(jī)的負(fù)載,發(fā)射機(jī)在負(fù)載變化范圍較大的情況下能否實(shí)現(xiàn)高效發(fā)射是影響電磁波傳輸?shù)年P(guān)鍵因素之一。發(fā)射功率的大小是影響信號(hào)大小的最直接因素,但由于隨鉆儀器可能使用電池供電,受電池容量和工作時(shí)間的限制,發(fā)射功率不能太大,一般為幾瓦到幾十瓦[4,8-10]。

發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁波通過鉆柱、泥漿、地層、套管等構(gòu)成的信道傳輸?shù)降孛?鉆柱、泥漿、地層和套管對(duì)信號(hào)傳輸都有影響,鉆柱的導(dǎo)電性越好,越利于信號(hào)傳輸;地層對(duì)于電磁波為有損介質(zhì),在工作頻率不變的情況下,地層電阻率越低電磁波衰減越快,因此地層電阻率較低的區(qū)塊,電磁波傳輸深度較淺。地層電阻率影響發(fā)射天線的輸入阻抗,發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)很難滿足負(fù)載大范圍變化時(shí)的性能,一般考慮到低電阻率地層的傳輸衰減大,優(yōu)先考慮低電阻率地層的發(fā)射效率,這樣在地層電阻率較高時(shí),發(fā)射效率降低,激勵(lì)到發(fā)射天線上功率和電流就會(huì)變小。在煤層氣鉆井的應(yīng)用中,如果煤層電阻率太高,遠(yuǎn)超出EM-MWD儀器設(shè)計(jì)范圍,儀器進(jìn)入煤層就會(huì)出現(xiàn)地面信號(hào)太小無法解碼的情況,一旦儀器出煤層信號(hào)則會(huì)增大。對(duì)于普通泥漿,由于泥漿電阻率變化范圍不大,且徑向尺度與地層相比較小,對(duì)信號(hào)傳輸影響不明顯,但高導(dǎo)泥漿會(huì)使發(fā)射天線兩極之間的通過泥漿回流電流的比例增加使地面信號(hào)變小。對(duì)于油基泥漿和氣體鉆井時(shí),由于鉆井介質(zhì)的電阻率較高,信號(hào)隨深度的衰減變小,但鉆井介質(zhì)對(duì)發(fā)射天線的輸入阻抗影響也很明顯,在鉆頭提離井底的時(shí),鉆井介質(zhì)包圍發(fā)射天線,發(fā)射天線輸入阻抗較高,效率變差信號(hào)變?nèi)?在鉆進(jìn)時(shí)由于鉆頭與地層接觸,發(fā)射天線的輸入阻抗變低,信號(hào)發(fā)射正常,信號(hào)變大。套管為金屬材料,如果作業(yè)井段為直井段,當(dāng)發(fā)射天線(絕緣部分)在套管內(nèi)時(shí),套管對(duì)電磁波有屏蔽作用,與無套管時(shí)相比,信號(hào)變小;當(dāng)發(fā)射天線在套管以下井段與無套管時(shí)相比信號(hào)變大。如果套管已經(jīng)下到斜井段,發(fā)射天線在套管內(nèi)時(shí),由于套管的短路作用,則無法完成信號(hào)傳輸。

井場(chǎng)電磁干擾是影響電磁波傳輸?shù)闹匾蛩刂?井場(chǎng)50 Hz的干擾最大,但50 Hz的干擾與系統(tǒng)的工作頻率有一定間隔,相對(duì)容易處理。由井場(chǎng)機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)變化引起的干擾與系統(tǒng)的工作頻率接近,處理比較困難?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)井場(chǎng)電磁干擾與井場(chǎng)機(jī)電設(shè)備狀況及工作狀態(tài)息息相關(guān),通常鉆進(jìn)時(shí)電磁干擾較大,循環(huán)泥漿時(shí)次之,停鉆時(shí)最小。

2.3 影響聲波傳輸?shù)闹饕蛩?/h2>

由于隨鉆條件下,溫度、空間、功率等因素的限制,選擇適合隨鉆條件的高效換能器產(chǎn)生相對(duì)較大功率的信號(hào)利于傳輸,因此換能器的性能是影響聲波傳輸方式的因素之一。

鉆柱通常由鉆鋌、鉆桿、轉(zhuǎn)換頭等組成,單根鉆具材料是連續(xù)的,但尺寸可能有變化,一般接頭處外徑變大。整個(gè)鉆柱由單根鉆具通過螺紋連接而成,單根長(zhǎng)度基本相同,連接接頭周期性的出現(xiàn),這種結(jié)構(gòu)對(duì)沿鉆柱傳播的聲波有梳狀濾波器的特性,且鉆桿與接頭相對(duì)長(zhǎng)度的變化會(huì)影響到這一特性,并影響工作頻率的選擇,在實(shí)際中需根據(jù)鉆柱優(yōu)選工作頻率。鉆具接頭的存在使得聲阻抗突變,在接頭處會(huì)產(chǎn)生高反射特性,使得鉆柱的脈沖響應(yīng)持續(xù)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百毫秒,造成碼間干擾和信號(hào)衰減。鉆柱長(zhǎng)度的增加、接頭增多基本不影響通頻帶的位置,但由于單根之間存在差異,會(huì)使得通頻帶縮小[7,11-12]。

鉆桿與地層接觸點(diǎn)增多,聲波衰減增大;鉆具的彎曲會(huì)影響聲波傳輸,通頻帶位置基本不變,但傳輸衰減變大。隨鉆鉆具隨著軌跡而彎曲,在水平井中聲波傳輸衰減比直井大。接收信號(hào)的接收點(diǎn)以后鉆柱的長(zhǎng)度,影響信號(hào)接收的幅度;聲波發(fā)射換能器以下的鉆具長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)傳輸產(chǎn)生影響。

鉆井過程中產(chǎn)生的不穩(wěn)定噪聲會(huì)影響信號(hào)的傳輸,包括地面噪聲和井下噪聲,這些噪聲會(huì)隨鉆井參數(shù)的變化而變化,比如鉆頭的類型、鉆壓、鉆頭旋轉(zhuǎn)速度、泥漿流速和泥漿類型、儲(chǔ)層類型等。

3 傳輸方式的優(yōu)劣勢(shì)分析

泥漿壓力波、電磁波、聲波3種傳輸方式影響傳輸?shù)囊蛩夭煌?各有優(yōu)勢(shì)。泥漿壓力波不受地層電參數(shù)的影響,區(qū)塊適應(yīng)性強(qiáng);電磁波傳輸對(duì)鉆井介質(zhì)要求低,且與泥漿循環(huán)無關(guān),節(jié)省測(cè)量占用鉆井時(shí)間,工作效率較高;聲波傳輸率高,可用于欠平衡鉆井,且受地層影響小。

3.1 傳輸延遲

泥漿脈沖產(chǎn)生的壓力波需經(jīng)鉆柱內(nèi)泥漿傳遞到地面,在鉆柱內(nèi)泥漿壓力波的傳輸速度為1 200 m/s左右,3 000 m深的井其傳輸延遲約2.5 s[13-14]。電磁波工作頻率一般為幾赫茲到十幾赫茲,從井下到地面小于1個(gè)波長(zhǎng),傳輸延遲為幾分之一秒,延遲較短。鋼鐵材料中縱波的傳播速度5 000 m/s以上,對(duì)于幾千米的井深傳輸延遲一般也小于1 s。

3.2 傳輸率

中國(guó)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的泥漿脈沖傳輸率小于1 bit/s[6]。電磁波傳輸方式的傳輸率一般為幾個(gè)bit/s,稍高于常用的泥漿脈沖。聲波的傳輸率相對(duì)較高,可達(dá)幾十bit/s以上。傳輸率高,地面獲得井下信息滯后時(shí)間短,方便鉆井控制和作業(yè)。

3.3 泥漿的影響

泥漿壓力波傳輸方式受泥漿性能影響較大,電磁波受泥漿影響較小,能夠?qū)崿F(xiàn)欠平衡鉆井和邊堵漏邊作業(yè)[15-16]。電磁波儀器井下沒有活動(dòng)部件,且電磁波的傳輸不受泥漿固相含量的影響,可以實(shí)現(xiàn)邊堵漏邊作業(yè)。聲波傳輸不依賴泥漿循環(huán)受泥漿性能影響小,但鉆柱內(nèi)與外環(huán)空充滿泥漿時(shí),聲波的傳播衰減變大[11]。

3.4 作業(yè)時(shí)效

泥漿壓力波靠泥漿傳輸信號(hào),依賴于泥漿循環(huán),需要測(cè)斜時(shí)要停泵30 s左右測(cè)量,然后開泵等待泥漿循環(huán)穩(wěn)定,傳輸信號(hào),信號(hào)傳輸完畢才能接單根。電磁波在測(cè)斜時(shí)只需提離井底30 s左右測(cè)量,發(fā)現(xiàn)信號(hào)傳到地面就可以進(jìn)行接單根操作,減少信號(hào)傳輸占用鉆井的時(shí)間,提高工作效率。每次測(cè)斜電磁波能節(jié)省2～3 min,文獻(xiàn)[17]中對(duì)電磁波提高效率情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),同一區(qū)塊泥漿脈沖作業(yè)了25口井、電磁波作業(yè)了41口井,造斜段平均鉆時(shí)泥漿脈沖為每小時(shí)26 ft*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,電磁波為36 ft;水平段平均鉆時(shí)泥漿脈沖為每小時(shí)54 ft,電磁波為每小時(shí)72 ft。平均每口井作業(yè)周期泥漿脈沖為13.4 d,電磁波為10.54 d。作業(yè)周期能縮短13%。聲波傳輸不依賴泥漿循壞,且傳輸率高于電磁波和泥漿脈沖,其作業(yè)時(shí)效更高。

3.5 傳輸深度

電磁波傳輸深度受地層電阻率的影響,在比較適合電磁波傳輸?shù)膮^(qū)塊,不使用接力技術(shù)實(shí)現(xiàn)4 000 m的傳輸已是國(guó)際先進(jìn)水平,因此電磁波更適合于中淺井作業(yè)。泥漿脈沖也存在傳輸衰減,千米衰減量與泥漿性質(zhì)相關(guān),但與電磁波相比其隨深度的衰減要小的多,不是制約泥漿脈沖傳輸深度的主要因素。隨著井深的增加井下溫度和壓力增高,有些脈沖發(fā)生器無法正常工作,脈沖發(fā)生器的高溫性能成為制約泥漿脈沖傳輸深度的主要因素。中國(guó)125 ℃的泥漿脈沖發(fā)生器比較成熟,175 ℃的泥漿脈沖發(fā)生器還不成熟。聲波沿鉆柱傳播過程中存在嚴(yán)重的衰減,傳輸深度每增加1 000 ft,聲波信號(hào)衰減4～7 dB。聲波傳輸深度已實(shí)現(xiàn)直井2 500 m,定向井1 500 m。

3.6 工作方式的靈活性

與泥漿脈沖方式和聲波方式相比,電磁波方式的參數(shù)改變不受機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,可以比較靈活地設(shè)置工作頻率、發(fā)射機(jī)功率等參數(shù)。

雖然泥漿脈沖傳輸方式已實(shí)現(xiàn)連續(xù)波,但實(shí)現(xiàn)連續(xù)波的技術(shù)難度很大,目前只有斯倫貝謝公司、哈里伯頓公司擁有了連續(xù)波泥漿脈沖傳輸技術(shù)。電磁波方式可以容易地實(shí)現(xiàn)連續(xù)波方式,編碼與調(diào)制方式也更靈活。

3.7 使用與維護(hù)成本

泥漿脈沖發(fā)生器中活動(dòng)零部件更容易損壞,且泥漿脈沖發(fā)射器的維護(hù)保養(yǎng)周期較短,一般的泥漿脈沖發(fā)生器維護(hù)保養(yǎng)周期僅幾百個(gè)小時(shí)。電磁波沒有活動(dòng)部件,維護(hù)成本相對(duì)較低。聲波的工作壽命和可靠性要明顯優(yōu)于泥漿脈沖,使用維護(hù)成本也較低。

4 發(fā)展方向

井下測(cè)量項(xiàng)目逐漸增多,工程上對(duì)井下信息的及時(shí)性要求提高,對(duì)傳輸率提出了更高的要求,增加信號(hào)傳輸率是隨鉆傳輸技術(shù)的主要發(fā)展方向,如高傳輸率泥漿脈沖發(fā)生器、智能鉆桿、光纖傳輸技術(shù)的研究。

電磁波在傳輸深度能夠滿足的情況下具有明顯的優(yōu)勢(shì),增加傳輸深度是其主要發(fā)展方向。已有文獻(xiàn)曾報(bào)道了增加傳輸深度多種方法,如延伸天線法[16]、有線無線結(jié)合法[18]、無線中繼法[19]、自適應(yīng)消噪法[20]、數(shù)據(jù)融合信號(hào)處理技術(shù)[21]、Casing Link接收天線法[22]等。在一些特殊井(譬如欠平衡井)作業(yè)時(shí),常規(guī)電磁波傳輸深度不能滿足要求時(shí)應(yīng)采取增加傳輸深度的方法。

實(shí)現(xiàn)泥漿壓力波與電磁波雙傳輸功能的系統(tǒng)已投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,系統(tǒng)充分利用電磁波的優(yōu)勢(shì),并用泥漿脈沖技術(shù)彌補(bǔ)電磁波傳輸深度的不足。

耐高溫高壓泥漿脈沖發(fā)生器的研發(fā),提高泥漿脈沖的深井作業(yè)能力及實(shí)現(xiàn)小直徑儀器的研發(fā),滿足小井眼的作業(yè)需要也是重要的發(fā)展方向。

聲波傳輸方式傳輸率高且能用于欠平衡井中的優(yōu)勢(shì)非常具有吸引力,如何提高聲波傳輸方式的傳輸深度是其主要發(fā)展方向。

5 結(jié) 論

(1) 3種傳輸方式工作原理不同,影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩匾膊煌?。影響泥漿脈沖傳輸?shù)闹饕蚴悄酀{性能、泥漿泵的穩(wěn)定性及泥漿脈沖發(fā)生器的性能;影響電磁波傳輸?shù)闹饕蛩貫榘l(fā)射效率、工作頻率、地層電阻率和井場(chǎng)電磁干擾;影響聲波傳輸?shù)闹饕蛩厥菗Q能器、鉆柱和接頭尺寸、噪聲。

(2) 電磁波傳輸技術(shù)在時(shí)效、傳輸率、泥漿的適應(yīng)性方面優(yōu)勢(shì)比較明顯,適合于中淺井提高鉆井效率、井漏區(qū)塊的邊堵漏邊作業(yè)及欠平衡定向鉆井作業(yè)。

(3) 泥漿壓力波傳輸隨深度增加信號(hào)衰減小,在儀器溫度和壓力性能滿足的情況下,可實(shí)現(xiàn)深井的隨鉆作業(yè)。

(4) 聲波傳輸率高,可用于欠平衡井,且受地層介質(zhì)影響小,是具有吸引力的技術(shù)。

(5) 提高信號(hào)傳輸率,增加傳輸深度是聲波和電磁波傳輸方式的發(fā)展方向;提高泥漿脈沖發(fā)生器的溫度性能是傳輸技術(shù)的主要發(fā)展方向。

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